緒論與機械零件的失效分析.ppt

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緒論,機械工程材料的定義、分類和常用的性能指標；學(xué)習(xí)本門課程的目的。,一機械工程材料的定義和分類,1、定義機械工程材料主要指用于機械工程、電器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等領(lǐng)域的材料。,2、分類（按化學(xué)成分分類）金屬材料(綜合性能好，用量最大、應(yīng)用范圍最廣)高分子材料(質(zhì)輕、耐腐蝕，常用于化工、機械、航空航天等)陶瓷材料（高電強、高硬度、耐腐蝕、絕緣，用于電器、化工、航空航天等等）復(fù)合材料（輕、高的比強度、比剛度，結(jié)合兩種材料的性能優(yōu)點，用于航空航天等領(lǐng)域）,二機械工程材料的常用性能,三、學(xué)習(xí)《機械工程材料》的目的,（1）獲得常用的金屬材料、非金屬材料的基本理論知識，了解各種機械工程材料的基本特性和應(yīng)用范圍；（2）在了解材料性能和設(shè)計之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，可根據(jù)零件的工作條件和失效形式，正確設(shè)計和合理選材；（3）能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)、工藝、外界條件（溫度、環(huán)境介質(zhì)）改變對材料性能的影響，正確制定零件的冷、熱加工工藝路線。,第一章機械零件的失效分析,本章主要內(nèi)容零件的過量變形以及性能指標零件的斷裂及性能指標零件在交變載荷下的疲勞斷裂及性能指標零件的磨損失效以及防止零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效,關(guān)于失效的基本概念,1零件（構(gòu)件）的功能（1）在一定的壓力、溫度、介質(zhì)下，保持規(guī)定的形狀和尺寸；（2）實現(xiàn)規(guī)定的機械運動；（3）傳遞力和能。,失效的定義和形式定義:零件失去設(shè)計所要求的效能（功能）稱為失效。常見的失效形式：過量變形、斷裂、磨損、腐蝕,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過量變形,材料的靜載性能指標有哪些?什么是過量彈性變形失效?發(fā)生過量彈性變形的原因是什么?設(shè)計時應(yīng)選擇什么性能指標?發(fā)生過量塑性變形的原因是什么?抗力指標有哪些?,問題,一、材料的靜載性能指標,剛度和強度指標彈性和塑性指標硬度指標韌性指標（放在斷裂中講）,1、剛度,剛度：零構(gòu)件載受力時抵抗彈性變形的能力。等于材料彈性模量與零構(gòu)件截面積的乘積。,2、強度、彈性塑性指標,試樣的靜拉伸過程,（1）強度：材料抵抗變形或者斷裂的能力,比例極限sp彈性極限se屈服強度ss抗拉強度sb斷裂強度sk,（2）彈性和塑性指標彈性：材料發(fā)生彈性變形的大小。塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力,彈性指標：彈性能（彈性比功）m塑性指標：斷后伸長率d斷面收縮?,硬度硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。硬度指標：物理意義與試驗方法有關(guān),滑痕法硬度值（莫氏硬度）彈性回跳法硬度值（肖氏硬度）壓入法硬度值（工業(yè)中應(yīng)用廣泛）布氏硬度（HBS)淬火鋼球洛氏硬度(HRC)（錐角為120的金剛石圓錐體）維氏硬度(HV)（錐面角為136的金剛石四棱錐體為壓頭,二、過量變形失效,過量彈性變形及抗力指標（1）零構(gòu)件發(fā)生過量彈性變形失效：Dl?[Dl](拉壓或者彎曲條件下）或者q?[q]（扭轉(zhuǎn)條件下）（2）過量彈性變形的原因：零構(gòu)件的剛度不夠（3）抗力指標：彈性模量E或者切變模量G,過量塑性變形及抗力指標（1）發(fā)生條件：塑性變形量超過允許變形量（2）原因：偶而過載或者零構(gòu)件本身抵抗塑性變形的能力不夠（3）抗力指標：比例極限、彈性極限和屈服極限,總結(jié),零構(gòu)件發(fā)生過彈性變形的原因：剛度不足抗力指標：彈性模量E或者切變模量G,強調(diào)！金屬和合金的彈性模量不能通過合金化和熱處理、冷變形等方法改變。,本節(jié)中所講的材料的力學(xué)性能指標及應(yīng)用,剛度：剛度設(shè)計中，考慮構(gòu)件在受力時發(fā)生的彈性變形量。主要力學(xué)性能是材料的彈性模量。如精密機床主軸等零構(gòu)件,彈性指標：彈性極限和彈性模量是設(shè)計彈性零件考慮的性能指標。如汽車板簧和各類彈簧等,屈服強度和塑性：一般零件的抗斷裂設(shè)計。,硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標。如滾珠軸承等.,,,,,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,問題斷裂可分為幾類？韌性斷裂和脆性斷裂如何區(qū)分？斷裂過程分為幾個階段？韌性斷裂和脆性斷裂的斷裂過程的區(qū)別在哪里？什么是材料的韌性？評價材料韌性的力學(xué)性能指標有哪些？材料韌性指標的含義及應(yīng)用？,一、基本概念,靜載荷和沖擊載荷斷裂：材料在外力作用下分為兩個或者兩個以上部分的現(xiàn)象。斷裂的分類：韌性斷裂和脆性斷裂斷裂過程：裂紋萌生和裂紋擴展韌性：表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。,韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌,韌性斷口,脆性斷口,二、沖擊韌性及衡量指標,沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。衡量指標：沖擊吸收功Ak沖擊韌度ak(ak＝Ak/Fk)應(yīng)用：評價材料韌性的好壞，與屈服強度結(jié)合用于一般零件抗斷裂設(shè)計。低溫沖擊試驗：(材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK),材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的確定和應(yīng)用,三、斷裂韌性及衡量指標,斷裂韌度KIC:是評定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。單位：MPam1/2或者MNm-3/2應(yīng)用（判斷構(gòu)件是否安全，合理選材）KIKIC構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂KI＝KIC構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件3應(yīng)用場合：主要用于高強度鋼制造的飛機、導(dǎo)彈和火箭的零件，或者是用中低強度鋼制造氣輪機轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子等。,四、影響脆性斷裂的因素,溫度和加載速度應(yīng)力集中零件尺寸,總結(jié),材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂材料的韌性指標：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌度，前三個用于評價材料韌性的好壞；斷裂韌度可用于材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的設(shè)計。材料的以上韌性指標均可用合金化和熱處理等方法改變。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,問題什么是疲勞斷裂？疲勞斷口由哪幾個部分組成？疲勞抗力指標有哪些？在設(shè)計中如何使用這些指標？,一、基本概念,交變載荷：載荷大小和方向隨時間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、最后斷裂。,二、疲勞斷口的特點,疲勞斷口,示意圖,疲勞源區(qū)和疲勞擴展區(qū)的微觀形貌,三、疲勞抗力指標,無裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標：,疲勞極限過載持久值,疲勞極限：材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對應(yīng)的應(yīng)力值。,疲勞曲線,圖1－11兩種類型的疲勞曲線a)鋼鐵材料b)部分有色金屬（如鋁合金）,過載持久值：材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。,高周疲勞：Nf>105低周疲勞:Nf<105,2帶裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標,裂紋擴展速率（da/dN)疲勞裂紋擴展門檻值(DKth）,四、影響疲勞抗力的因素,載荷類型材料本質(zhì)零件表面狀態(tài)工作溫度腐蝕介質(zhì),總結(jié),疲勞斷裂是零構(gòu)件常見的一種失效形式，它是一種脆性斷裂，危害很大。無裂紋零構(gòu)件設(shè)計中常用的疲勞抗力指標是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口敏感度。工作應(yīng)力s疲勞極限，構(gòu)件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值。工作應(yīng)力越大，過載持久值越低。3疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)生疲勞斷裂。,第四節(jié)零件的磨損失效,本節(jié)主要講粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生過程、機理以及防止措施。,一、磨損的基本概念產(chǎn)生磨損的條件磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)耗損的現(xiàn)象叫做磨損。,二、磨損的過程和機理,粘著磨損（1）又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦幅的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽下來或者是金屬表面被擦傷的一種磨損形式。,（2）過程,（3）粘著磨損的特點：磨損速度大；破壞嚴重。,（4）防止措施合理選材，摩擦幅配對材料選用硬度差較大的異類材料；提高表面硬度；合理設(shè)計減小接觸壓應(yīng)力；減小表面粗糙度。,磨粒磨損（1）定義：又稱磨料磨損，在滑動摩擦?xí)r零件表面存在硬質(zhì)磨粒，使磨面發(fā)生局部塑性變形，磨粒嵌入、磨粒切割金屬表面從而導(dǎo)致零件表面逐漸損耗的一種磨損。,（2）過程,（4）防止措施提高表面硬度（從選材方面）；減少磨粒數(shù)量（從工作狀況方面）。,接觸疲勞（疲勞磨損，麻點磨損）（1）定義：零件工作面作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力的長期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現(xiàn)象。（2）過程：類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴展過程。,（3）主要防止措施提高材料硬度；提高材料純度；提高零件心部和表面強度；減小表面粗糙度。,總結(jié),磨損是機械零件常見的一種失效形式，總是從零件表面開始發(fā)生。各種磨損的過程和機理不同，因此其主要的預(yù)防措施也不同。提高零件表面硬度，合理設(shè)計減小壓應(yīng)力，以及提高表面光潔度等對降低磨損都有利。,第五節(jié)零件的腐蝕失效,問題1什么是腐蝕？可分為幾類？高溫氧化腐蝕常發(fā)生在那些零件中？耐熱鋼為什么具有抗高溫氧化能力？發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件是什么？改善零件腐蝕抗力的主要措施是什么,一、腐蝕的定義和分類,腐蝕：材料表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)所引起的表面損傷現(xiàn)象。分類：化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕,二、腐蝕過程及防止化學(xué)腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）,高溫氧化過程：（1）金屬失去電子成為金屬離子（2）氧原子吸收電子成為氧離子（3）金屬離子和氧離子結(jié)合為金屬氧化物,基體金屬能否繼續(xù)氧化，取決于氧化物薄膜是否致密。提高鋼抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，與氧結(jié)合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬進一步氧化。,電化學(xué)腐蝕條件：存在電極電位差，并且相互接觸并處于相互聯(lián)通的電介質(zhì)溶液中形成微電池。,電化學(xué)腐蝕的過程,陽極：失去電子，M?Mn++ne(被腐蝕）陰極：發(fā)生析氫反應(yīng)或者吸氧反應(yīng),三、零件防止腐蝕的措施,對于化學(xué)腐蝕，常采用以下方式：選擇抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料等；零件表面涂層。對于電化學(xué)腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表面涂層；電化學(xué)保護；加緩蝕劑,第六節(jié)零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效,問題金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點？什么是蠕變？評價金屬材料高溫力學(xué)性能指標有哪些？高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？,一、材料在高溫下的力學(xué)行為,1材料的強度隨溫度的升高而降抵。2高溫下材料的強度隨時間的延長而降抵。高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。蠕變：材料在長時間恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。,二、評價材料高溫力學(xué)性能指標蠕變極限：高溫長期載荷作用下材料對塑性變形的抗力指標成為蠕變極限。表示方法（1）在規(guī)定溫度下使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力值，符號為,（2）給定溫度下，在規(guī)定時間內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定蠕變總變形量d的應(yīng)力值，符號為：,,持久強度：材料在高溫長期載荷作用下抵抗斷裂的能力。表示方法：用給定溫度和規(guī)定時間內(nèi)試樣發(fā)生斷裂時的應(yīng)力表示，sTtt---時間；T----溫度；,三、高溫下零件的失效和防止高溫下零件的失效形式：過量塑性變形（蠕變變形）、斷裂、磨損、氧化腐蝕等。防止措施：正確選材；（選熔點高、組織穩(wěn)定的材料）表面處理（表面渡硬鉻、熱噴涂鋁和陶瓷等）,